پست شماره 33

بتن تقویت شده با الیاف طبیعی (NFRC)

الیاف کوتاه ناپیوسته به طور گسترده ای در هر دو نوع FRC در سراسر جهان استفاده می شود. بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی معمولاً با NFRC نامیده می شوند.

بسیاری از مواد تقویت کننده طبیعی را می توان در سطح پایین هزینه و انرژی با استفاده از نیروی انسانی موجود و دانش فنی به دست آورد. از این نوع الیاف در ساخت محتوای بتن مسلح الیافی کم الیاف و بعضاً در ساخت ورق نازک با محتوای الیاف بالا استفاده می شود.

این الیاف به طور معمول به عنوان الیاف طبیعی فرآوری نشده (UNF) شناخته می شوند.

با این حال ، الیاف طبیعی دیگری نیز در دسترس هستند که برای افزایش خواص آنها پردازش شده اند. این الیاف توسط فرآیندهای شیمیایی مانند فرآیند کرافت از چوب بدست می آیند. الیاف خمیر کاغذ کرافت در فرآیندهای پیچیده تولید ، مانند فرآیند Hatschek ، برای تولید ورق نازک با محتوای الیاف بالا استفاده می شود. این الیاف به طور معمول به عنوان الیاف طبیعی فرآوری شده (PNF) و بتن های ساخته شده از آنها به عنوان بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی فرآوری شده (PNFRC) شناخته می شوند.

اگرچه در طول تاریخ از الیاف زیادی برای تقویت مصالح ساختمانی مختلف استفاده می شده است ، اما تا همین اواخر تلاش علمی کمی به استفاده از الیاف طبیعی برای تقویت انجام شده است. استفاده از برخی از شناخته شده ترین الیاف طبیعی مانند سیزال ، نارگیل ، باگاس نیشکر ، چنار (موز) ، نخل و غیره ، بیشتر محدود به تولید پارچه ، طناب ، تشک و ... بوده است.

خصوصیات معمولی الیاف طبیعی

در این گزارش ، انواع مختلف الیاف طبیعی موجود برای تقویت بتن ها ، نسبت های مخلوط ، روش اختلاط ، کار و قرار دادن و خصوصیات بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی تازه و سخت شده شرح داده شده است. علاوه بر این ، برخی از برنامه های NFRC ارائه شده است.

 الیاف طبیعی

1- الیاف طبیعی پردازش نشده

الیاف طبیعی فرآوری نشده در بسیاری از کشورها به مقدار قابل قبولی در دسترس هستند و منبع تجدید پذیر مداوم هستند. UNF ها در مقایسه با برخی از انواع دیگر الیاف به مقادیر نسبتاً کمی انرژی و دانش فنی برای تولید خود نیاز دارند. در بافت تاریخی ، استفاده از الیاف طبیعی خام در ساخت و ساز اساساً قبل از ظهور بتن مسلح معمولی بود. آجرهای گلی تقویت شده با کاه ، آفتابگیر برای ساخت دیوار و موی اسب در هاون ، نمونه های نمونه ای از نحوه استفاده از الیاف طبیعی از مدت ها قبل است.

در اواخر دهه 1960 ، ارزیابی منظمی از خصوصیات مهندسی الیاف طبیعی و کامپوزیت های سیمان ساخته شده با این الیاف انجام شد. نتایج این بررسی ها نشان داد که می توان از این الیاف برای ساختن ورقه های سیمان نازک برای دیوارها و سقف ها با موفقیت استفاده کرد. فرایندهای تولید مناسب متعاقباً برای تولید تجاری در کشورهای مختلف آمریکای مرکزی ، آفریقا و آسیا توسعه یافت. محصولات ساخته شده با سیمان پرتلند و الیاف طبیعی فرآوری نشده از جمله رشته نارگیل ، سیزال ، باگاس نیشکر ، بامبو ، جوت ، چوب و الیاف گیاهی از نظر خصوصیات مهندسی و استفاده احتمالی در ساختمانهای حداقل 40 کشور مختلف مورد آزمایش قرار گرفته اند اگرچه نتایج دلگرم کننده بود ، اما برخی از کمبودها در دوام آنها یافت شد. به نظر می رسد اینها در نتیجه واکنش بین خمیر سیمان و الیاف و تورم الیاف در حضور رطوبت ایجاد شده اند. تعدادی از محققان اکنون در حال بررسی اقدامات اصلاحی برای بهبود دوام هستند.

2 - الیاف طبیعی فرآوری شده

الیاف طبیعی فرآوری شده از اواسط دهه 1960 در ابتدا به عنوان مکمل آزبست و از اوایل دهه 1980 به عنوان یک الیاف تقویت کننده تنها در تولید تجاری برای تولید محصولات سیمان تقویت شده با الیاف ورق نازک استفاده شده است. استفاده تجربی از این الیاف تا حد زیادی مقدم بر استفاده تجاری در مقیاس وسیع آنها است. اولین آزمایش استفاده از خمیر چوب به عنوان جایگزین آزبست در سیمان آزبست به جنگ جهانی اول برمی گردد. صنعت سیمان الیاف نروژ مجبور شد در این دوره ورق های سیمان تقویت شده با خمیر چوب را برای استفاده تجاری تولید کند زیرا آنها قادر به بدست آوردن آن نبودند منابع معمول آنها در آزبست به دلیل جنگ.

3 - خصوصیات مکانیکی الیاف طبیعی

3.1 خواص مکانیکی الیاف طبیعی پردازش نشده : اطلاعات مربوط به خواص مکانیکی الیاف طبیعی پردازش نشده موجود است .در این بخش ، خلاصه ای از نتایج تحقیقات برای تعیین خصوصیات مکانیکی انواع الیاف طبیعی فرآوری نشده ارائه شده است. انواع الیافی که خصوصیات مکانیکی برای آنها ارزیابی شده است در جدول 5.1 آورده شده است. شرح مختصری از برخی از الیاف طبیعی که معمولاً یافت می شوند در زیر ارائه شده است.

آ.: فیبر نارگیل. یک نارگیل بالغ دارای پوشش بیرونی ساخته شده از مواد الیافی است. این قسمت از نارگیل ، پوسته نامیده می شود ، از یک پوست سخت و مقدار زیادی الیاف جاسازی شده در یک ماده نرم تشکیل شده است. الیاف را می توان با خیساندن پوسته در آب و تجزیه مواد نرم اطراف الیاف استخراج کرد. این فرآیند که retting نام دارد ، در کشورهای کمتر توسعه یافته به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. متناوباً ، می توان از یک فرایند مکانیکی  برای جداسازی الیاف استفاده کرد. کشت نارگیل محدود به مناطق گرمسیری آفریقا ، آسیا و آمریکای مرکزی است.

ب: الیاف سیزال. در استرالیا ، از الیاف سیزال با موفقیت برای ساخت ورقهای گچ استفاده شده است . مقدار قابل توجهی تحقیق در سوئد برای تولید محصولات بتنی با کیفیت خوب تقویت شده با الیاف سیزال انجام شده است . این الیاف از اکثر الیاف طبیعی دیگر قویتر هستند ، همانطور که در جدول 5.1 مشاهده می شود.

ج :الیاف باگاس نیشکر. نیشکر هم در مناطق گرمسیری و هم در مناطق نیمه گرمسیری کشت می شود. باگاس نیشکر باقی مانده پس از استخراج آب است و حاوی حدود 50 درصد الیاف و 30 درصد مغز هسته با رطوبت و مواد جامد محلول 20 درصد باقیمانده را تشکیل می دهد. به منظور دستیابی به الیاف مرغوب ، مغز و سایر مواد جامد از الیاف حذف می شوند. خصوصیات الیاف باگاس ، تا حدود زیادی به تنوع نیشکر ، بلوغ آن و کارایی گیاه آسیاب بستگی دارد. خصوصیات ارائه شده در جدول 5.1 به عنوان یک نمونه در نظر گرفته می شود.

د: الیاف بامبو. بامبو از خانواده چمن ها است و می تواند تا ارتفاع 50 فوت (15 متر) رشد کند و قطر آن در دامنه 1 تا 4 اینچ (25 تا 100 میلی متر) متفاوت باشد. در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری به طور طبیعی رشد می کند. از ساقه های خشک شده بامبو معمولاً برای ساختن سازه های موقتی مانند داربست استفاده می شود. همچنین ممکن است ساخته شده باشند تا ماده تقویت کننده مداوم برای بتن را تشکیل دهند. الیاف بامبو از نظر کششی قوی هستند (جدول 5.1) و می توانند به عنوان ماده تقویت کننده مورد استفاده قرار گیرند. با این حال ، آنها ظرفیت جذب آب بالا ، مدول الاستیسیته کمی دارند و ممکن است تجهیزات ویژه ای برای استخراج آنها از ساقه مورد نیاز باشد.

ه: الیاف جوت. جوت به طور عمده در هند ، بنگلادش ، چین و تایلند کاشته می شود. این محصول صرفاً به دلیل الیاف آن تولید می شود که به طور سنتی برای ساختن طناب و کیسه برای انتقال غلات و سایر مواد از سیمان تا شکر استفاده می شود. از نظر تنش قوی (جدول 5.1) ، الیاف جوت را می توان در ماتریس سیمان نیز استفاده کرد. روند بدست آوردن الیاف جوت بسیار ساده است. گیاهان بالغ را قطع کرده و حدود 4 هفته در آب خیس می کنند و این باعث پوسته شدن کامل پوست می شود. الیافی که بدین ترتیب در معرض قرار می گیرند سپس از ساقه جدا شده ، شسته و خشک می شوند.

ج: کتان گیاهی باریک و قائم است که عمدتا به دلیل الیاف خود رشد می کند. استحکام کششی و مدول الاستیسیته کتان در مقایسه با سایر الیاف طبیعی بسیار بالا است ، همانطور که در جدول 5/1 دیده می شود.

پ: الیاف گیاهی دیگر. از بین الیاف مختلف گیاهی ، فقط تعداد کمی از آنها به عنوان مواد تقویت کننده به طور بالقوه مناسب شناخته شده اند. خصوصیات مکانیکی الیاف امیدوار کننده تری ، یعنی چمن فیل ، نی آب ، چنار و موسمبا ، در جدول 5.1 ذکر شده است. همچنین تحقیقات برای بررسی امکان استفاده از سایر الیاف طبیعی مانند الیاف نخل و اكوارا به عنوان مواد تقویت كننده بتن انجام شده است .این الیاف معمولاً به صورت دستی از ساقه گیاه خارج می شوند.

3.2خواص مکانیکی الیاف طبیعی فرآوری شده - از پردازش مواد گیاهی برای استخراج الیاف به عنوان خمیر کاغذ یاد می شود و از مواد اصلی گیاهی که برای خمیر کاشت استفاده می شود درختان هستند. پالپینگ شامل شکستن پیوند بین الیاف موجود در چوب نرم و چوب سخت است.

فرآیندهای پالپینگ بسته به ماهیت فرایند زدایی به دو صورت کامل شیمیایی ، نیمه شیمیایی یا مکانیکی طبقه بندی می شوند. خمیرهای مکانیکی اساساً با خرد کردن چوب برای جدا کردن الیاف ساخته می شوند ، در حالی که در خمیرهای شیمیایی ، چوب ها را تقریباً به مکعب های 1 اینچی خرد می کنند و در مواد قلیایی می پزند تا ماده ای که الیاف را به هم می چسبد ، حل شود. خمیرهای نیمه شیمیایی با ترکیبی از پخت و پز شیمیایی ساخته می شوند که الیاف را نرم می کند و به دنبال آن مکانیکی برای جداسازی الیاف تهیه می شود.

مشخص شده است که آن دسته از اجزای چوب که در فرآیند شیمیایی حذف می شوند ، در برابر قلیاها حساس بوده و مسئول تخریب سیمان ها و بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی فرآوری نشده هستند. بنابراین خمیرهای شیمیایی (کرافت) بیشتر برای تقویت سیمان استفاده می شوند. خصوصیات مکانیکی معمولی خمیر کرافت نیز در جدول 5.1 آمده است.

شکل 5.1 ساختار چوب را به طور خلاصه نشان می دهد. یک تکه چوب شفاف ممکن است مقاومت کششی تقریباً 10 کیلوگرم (69 مگاپاسکال) داشته باشد. اما قطعات الوار اغلب دارای نقص هستند. الیاف منفرد که واحد تقویت کننده چوب را تشکیل می دهند ممکن است دارای مقاومت کششی بالای ksi 100 (690 MPa) یا بیشتر باشند . سلولز ، ماده اولیه شیمیایی الیاف طبیعی ، مقاومت کششی تقریبی ksi 930 (6400 MPa) را از خود نشان می دهد. در میان درختان تجاری ، چوب های نرم منبع الیاف به اصطلاح طولانی با طول های معمول از 0.1 تا 0.3 اینچ (2 تا 7 میلی متر) هستند. الیاف چوب نرم از 15 تا 80 میکرون عرض دارند. چوب های سخت باعث تولید الیافی می شوند که به طور متوسط ​​تقریباً 1/3 تا 1/2 طول و تقریبا 1/2 عرض الیاف چوب نرم دارند. قدرت الیاف حتی در همان گونه های درختی نیز می تواند به میزان قابل توجهی متفاوت باشد.

مرجع